计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
2. 计算机系统结构、计算机组成与实现
计算机系统结构：
（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，经典
的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语
言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器 语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语
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1.1.2 计算机系统并行性的基本概念
并行性 ：
是指同一时刻或同一时间间隔内发生两种或
两种以上性质相同或不相同的事件。
同时性 ：
是指两个或多个事件在同一时刻发生。
并发性 ：
是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
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设置硬件资源分别同时用于多个处理过程，实现多个处理
过程的同时性。 资源共享是利用软件方法让多个任务按一定顺序轮流 使用一套资源，通过提高系统资源利用率来提高系统的性 能和效率。
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2. 并行性等级
（1）按计算机系统中执行程序的并行性划分 ① 指令内部并行 ② 指令之间并行 ③ 任务或进程之间并行 ④ 作业或程序之间并行 （2）按计算机信息加工的并行性划分 ① 存储器操作并行 ② 处理器操作步骤并行 ③ 处理器操作并行 ④ 指令、任务、作业并行
由于0≤Fe≤1，Se≥1，故Sn≥1。可见性能的提高幅度受改 进部分所占比例Fe的限制。即使改进部分的改进效果非常好， 有Se→∞，可得Sn=1/(1-Fe)，整个系统的性能提高的程序受Fe 的限制。
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【例1.3】 如果FP指令的比例为25%，其
中，FPSQR占全部指令的比例为2%，FP操
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CU：控制部件 PU：处理部件 MM：存储器模块 IS：指令流 DS：数据流 图1.4 Flynn分类法各类机器结构
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1.2 计算机性能评测基础
计算机性能 ：
通常是指计算机的工作速度，它是程序 执行时间的倒数。 计算机的性能不仅与计算机的系统结构有关， 而且与程序和算法有关。
计算机系统性能的不断提高主要靠器件的 变革和计算机系统结构的改进。
计算机的器件 计算机换代的标志： 计算机系统的结构
推动计算机系统结构发展的关键是提高计 算机系统的并行性
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1.1.1 计算机系统的层次结构
从计算机语言的角度，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。
同样可计算出方案B的加速比SB = CPI /CPIB = 2 / 1.5 = 1.33。从加速比来看，也可得出方案B优 于方案A的结论。
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3. MIPS和MFLOPS
MIPS ： 表示每秒百万指令条数。对于一个给定 的程序，MIPS定义为
MIPS 指令条数 执行时间 10
软件兼容 ： 是指同一个软件可以不加修改地运行于结构
相同的各档机器上，而且运行结果一致。
向上（下）兼容是指在某档机器上编制的程序可不加修改 地运行于比它高（低）档的机器上； 向前（后）兼容是指在某型号机器上编制的程序可不加修 改地运行于在它之前（后）投入市场的机器上。 对于系列机必须保证做到向后兼容，力争做到向上兼容。
统一高级语言 采用系列机
模拟和仿真等。
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具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现技术 系列机：
的一系列不同型号的机器。
系列机技术既可以使同一系列的机器在汇编语言上实现统一，
又能在同一系列内开发出性能价格比更高的新机器。因此，在结构相同 或相近的机器之间能实现汇编语言应用软件和部分系统软件的移植。
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3. 计算机系统结构的分类
是指机器执行的指令序列。 指令流 ： 是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中 数据流 ：
间结果。
多倍性 : 是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行
阶段的指令或数据的最大可能个数。 Flynn按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类: 单指令流单数据流（SISD）体系结构 单指令流多数据流（SIMD）体系结构 多指令流单数据流（MISD）体系结构 多指令流多数据流（MIMD）体系结构
硬件维护员 设计员
逻辑线路 内核
实现机器指 定功能的中 央控制部分
硬联逻辑
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应用语言
用户
应用程序 高级语言 信息处理 系统
应用语言机器级
高级语言 程序员
解释程序 编译程序 汇编语言 运行程序
高级语言机器级
汇编语言 程序员
汇编程序
键盘命令 系统原语 运行程序
汇编语言机器级
CPI = CPU时钟周期数 / IC
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可重写CPU时间表达式为
CPU时间 = ( IC × CPI ) / 时钟频率
上式表明，CPU的性能取决于3个因素： 时钟频率，时钟频率取决于硬件技术和组 织。
机器指令的平均时钟周期数CPI，CPI 取 决于系统结构及其指令集的设计与实现。 程序使用的指令条数IC，IC取决于系统结 构的指令集和编译技术。
比，那么，改进前不被改进部分的执行时间相对T0的百分比
为1-Fe。ห้องสมุดไป่ตู้外，用Se表示可被改进部分改进前执行时间对改 进后执行时间的比值，即被改进部分改进后的速度提高倍数。
可以用Fe和Se表示Tn为
Tn=T0(1-Fe)+T0Fe/Se=T0(1-Fe+Fe/Se)
可得改进后整个系统的加速比Sn为
1 S n T0 / Tn (1 Fe ) Fe / S e
1. 发展计算机系统并行性的技术途径
可以通过3类技术途径来提高计算机系统的并行 性，这就是时间重叠、资源重复和资源共享。
时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让多个处
理过程在处理时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设
备的各个部件，提高多个处理过程的并发性。 资源重复是在并行性概念中引入空间因素，通过重复
作的CPI为4，FPSQR操作的CPI为20，其他
指令的平均CPI为1.33。现有两种改进方案，
一种是把FPSQR操作的CPI减至2，另一种是
把所有的FP操作的CPI减至2，试比较两种方
案对系统性能的提高程度。
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解：没有改进之前，系统的指令平均时钟周期
CPI为
2. 性能评测的分级
计算机性能的评测可以划分为机器级、算法级和 程序级3个层次。
机器级的性能评测主要包括：CPU的基本性能指标；存储
器的基本性能指标；并行计算机的并行计算与通信的开销； 并行计算机的可用性和好用性以及机器成本、价格与性能/价 格比等。 算法级的性能评测主要是为了评价算法的性能。在并行计 算机上进行计算的主要目的是要加速整个计算过程，其中，并
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采用方案B，如果使所有FP操作的平均时钟 周期数由CPIFP=4降至 CPI FP 2 ，那么，整个 系统的指令平均时钟周期数为
CPI B CPI (CPI FP CPI FP ) 25% 2 (4 2) 25% 1.5
行算法的加速性能是最关键的因素，它体现了对于一个给定的
应用，并行算法相对于串行算法的执行速度加快了多少倍。 程序级的性能评测主要使用一组基准测试程序测试和评价
计算机系统的各种性能。
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1.2.2 计算机的基本性能指标
1. 单CPU性能
一个程序在计算机上运行，花费的CPU时间 为CPU的时钟周期与该程序所有机器指令使用 CPU的时钟周期数的乘积，即 CPU时间 = CPU时钟周期数 × 时钟周期 或 CPU时间 = CPU时钟周期数 / 时钟频率 若程序使用的指令条数用IC表示，那么，指 令的平均时钟周期数CPI为
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若指令 i 在程序中执行的次数为Ii，指令 i 所需的时钟周期数为CPIi ，那么，指令的平均时 钟周期数 CPI 为
Ii CPI ( CPI i I i ) / IC (CPI i ) IC i 1 i 1
其中，Ii / IC表示指令i在程序所使用的指 令条数中所占的比例，称为指令 i 的使用频度。
按由低层到高层的顺序，各层分别是：
微程序机器级 传统机器语言机器级
操作系统机器级
汇编语言机器级 高级语言机器级
应用语言机器级
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机器指令 系统
机器语言 程序员
机器程序
中央 处理机 机器指令 时序
传统机器语言 机器级
逻辑设计员
寄存器 传送门
微程序控制
硬操作时序
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目 录
第1章 计算机系统结构导论
1.1 计算机系统结构的基本概念
1.2 计算机性能评测基础 1.3 并行计算机的发展
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第1章 计算机系统结构导论
计算机系统结构（第二版）
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1.1 计算机系统结构的基本概念
Ii CPI (CPI i ) IC i 1 (4 25%) (1.33 75%) 2